扩展的输入输出设备

输入设备是向计算机输入信息的外部设备，它将程序、数据、命令以及某些标识等信息按一定要求转换成计算机能够接收的二进制代码，并输送到计算机中进行处理。输出设备则是把处理器运算处理后的最终结果或中间结果，用人所能识别的各种信息形式表示出来的外部设备。在计算机硬件系统中，除了鼠标、键盘、屏幕等基本的输入/输出设备外，还有一些扩展的输入/输出设备，如移动硬盘、打印机、扫描仪、数码相机、轨迹球、手写板、触摸屏等。

1.移动硬盘

移动硬盘是在计算机之间交换大容量数据，并强调便携性的存储产品。图2-6所示为移动硬盘。

图2-6 移动硬盘

移动硬盘具有如下特点：

①容量大。移动硬盘能够提供相当大的存储容量，目前市场中的移动硬盘能提供几百千兆字节到上百万兆字节的容量，很大程度上满足了用户存储的需求。

②传输速度高。移动硬盘大多采用USB2.0或3.0、IEEE1394接口，能提供较高的数据传输速度。

③使用方便。在大多数操作系统中，USB设备都不需要安装驱动程序，具有真正的“即插即用”特性，使用起来灵活方便。

2.打印机

打印机是将计算机的运算结果或中间结果以人所能识别的数字、字母、符号和图形等，按照规定的格式打印在纸上的设备。打印机可分为针式打印机、彩色喷墨打印机、激光打印机等几种类别。

（1）针式打印机

在打印机历史上，针式打印机曾经在很长一段时间上占有着重要的地位。现在由于它打印质量较低、工作噪声过大，在多数商用打印领域已经看不到了，只有在银行、超市等用于票单打印的少数地方才能看见它的踪迹。图2-7所示为针式打印机。

图2-7 针式打印机

（2）彩色喷墨打印机

彩色喷墨打印机凭借良好的打印效果与较低价位的优点而占领了广大中低端市场。此外，彩色喷墨打印机还具有更为灵活的纸张处理能力，在打印介质的选择上，喷墨打印机也具有一定的优势，它不仅可以打印信封、信纸等普通介质，还可以打印各种胶片、照片纸、光盘封面、卷纸、T恤转印纸等特殊介质。图2-8所示为彩色喷墨打印机。

图2-8 彩色喷墨打印机

（3）激光打印机

激光打印机是近年来科技发展的一种新产物，它提供了更高质量、更快速、更低成本的打印方式。它的打印原理是利用光栅图像处理器产生要打印页面的位图，然后将其转换为电信号等一系列的脉冲并送往激光发射器，在这一系列脉冲的控制下，激光被有规律地放出。与此同时，反射光束被接收的感光鼓所感光，激光发射时就产生一个点，激光不发射时就是空白，这样就在接收器上打印出一行点来。然后，接收器转动一小段固定的距离继续重复上述操作，当纸张经过感光鼓时，鼓上的着色剂就会转移到纸上，印成了打印页面的位图。最后，当纸张经过一对加热辊时，着色剂被加热熔化而固定在了纸上，从而完成打印的全过程。整个打印过程准确而且高效。图2-9所示为激光打印机。

图2-9 激光打印机

3.扫描仪

扫描仪是一种计算机外部设备，它先捕获图像，再将其转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字信息。照片、页面、图纸、胶片，甚至纺织品、标牌面板、印制板样品等三维对象都可作为扫描对象，扫描仪提取扫描对象的图像并将原始的线条、图形、文字、照片、平面实物等转换成可以编辑及存储的文件。图2-10所示为扫描仪。

图2-10 扫描仪

扫描仪的工作原理如下：扫描仪工作时发出的强光照射在稿件上，没有被吸收的光线将被反射到光感应器上。光感应器接收到这些信号后，将其传送到模/数转换器，模/数转换器再将其转换成计算机能读取的信号，然后通过驱动程序转换成显示器上能看到的正确图像。

扫描仪的种类繁多，根据扫描介质和用途的不同，大体上分为平板式扫描仪、名片扫描仪、胶片扫描仪、文件扫描仪等。除此之外，还有手持式扫描仪、笔式扫描仪、实物扫描仪和3D扫描仪等。

4.数码相机

数码相机是一种利用电子传感器，把光学影像转换成电子数据的照相机。与普通相机在胶卷上靠溴化银的化学变化来记录图像的原理不同，数码相机的传感器是一种光感应式的电荷耦合或互补金属氧化物半导体。图像在传输到计算机以前，通常会先存储在数码存储设备中。图2-11所示为数码相机。

图2-11 数码相机

数码相机的工作原理如下：当按下快门时，镜头将光线会聚到感光器件CCD（电荷耦合器件）上, CCD是半导体器件，它取代了一般相机中胶卷的地位，它的功效是把光信号转变为电信号。这样，就得到了对应于拍摄景物的电子图像，但是它还不能马上被送去计算机处理，还需要依照计算机的请求进行模/数转换，形成相应的数字信号。接下来，微处理器对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG格式。最后，图像文件被存储在内置存储器中，可通过LCD（液晶显示器）查看拍摄到的照片。

数码相机的优点如下：

①拍照之后可以立即看到照片，用户可以立即对不满意的作品重拍。

②可以有选择地冲洗照片。

③色彩还原和色彩范围不再依赖胶卷的质量。

④感光度也不再因胶卷而固定，光电转换芯片能提供多种感光度供用户选择。

数码相机的缺点如下：

①由于通过成像元件和影像处理芯片进行转换，图像质量比光学相机欠缺层次感。

②由于各个厂家的影像处理芯片技术不同，成像照片表现的颜色与实际物体也会有不同。

5.轨迹球

轨迹球是另外一种类型的鼠标，其工作原理与机械式鼠标的相同，内部结构也类似。不同的是轨迹球工作时球在上面，可直接用手拨动，而球座固定不动。由于轨迹球占用空间小，多用于笔记本电脑等便携机。轨迹球有两个按钮，一个用于用户单击或双击，而另一个提供选择菜单和拖动对象后需要的动作。轨迹球的最大优点就在于节省了空间，减少了使用者手腕的疲劳。图2-12所示为轨迹球的外观图。

图2-12 轨迹球外观

6.手写板

手写绘图输入设备中最常见的是手写板（也叫手写仪），其作用和键盘类似。当然，该设备在功能上基本只局限于输入文字或者绘画，也带有一些鼠标的功能。

手写板一般是使用一支专门的笔或者允许手指在特定的区域内书写文字。它通过各种方法将笔或者手指走过的轨迹记录下来，然后识别为文字。对于不喜欢使用键盘或者不习惯使用中文输入法的人来说非常有用，因为它不需要学习输入法。手写板还可以用于精确制图，例如可用于电路设计、CAD设计、图形设计、自由绘画以及文本和数据输入等。

手写板有的集成在键盘上，有的是单独使用，单独使用的手写板一般使用USB口或者串口。目前手写板种类很多，有兼具手写输入汉字和光标定位功能的，也有专用于屏幕光标精确定位以完成各种绘图功能的。图2-13所示为手写板与计算机连接进行操作。

图2-13 手写板与计算机连接进行操作

7.触摸屏

触摸屏（Touch Panel）又称为触控面板，是可接收触头的输入信号的感应式液晶显示装置。当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编制的程序驱动各种连接装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

触摸屏使人机交互更为直截了当，极大地方便了那些不懂电脑操作的用户，是一种极富吸引力的新型多媒体交互设备。触摸屏的应用范围非常广泛，主要包括公共信息的查询，如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询等。此外，也可应用于办公、工业控制、军事指挥、数字游戏、点歌点菜、多媒体教学、景点导游等。图2-14所示为导游系统触摸屏界面。

图2-14 导游系统触摸屏界面

8.体感交互设备

所谓体感技术，就是躯体动作感应控制技术，通俗来讲，是一种机器通过某些特殊方式对用户的动作进行识别、解析，并按照预定的方式将信息反映到机器上，从而实现对机器控制的最新技术。体感技术主要应用于游戏机，常见的体感交互设备有任天堂公司的Wii、微软的Kinect等。

Wii的游戏方式给整个产业都带来了巨大的影响，它的控制器具有指向定位及动作感应两项功能，前者就如同光线枪或鼠标一般可以控制荧幕上的光标，后者可侦测三维空间中的移动及旋转，两者结合可以达成所谓的“体感操作”。Wii遥控器在游戏软件中可以化为球棒、指挥棒、鼓棒、钓鱼竿、转向盘、剑、枪、手术刀、钳子等工具，使用者可以通过挥动、甩动、砍劈、突刺、回旋、射击等各种方式来使用。可以说，体感的概念就是通过Wii才广为人知的。

Kinect是微软公司在2010年6月发布的XBOX360体感周边外设。在Kinect的工作原理中，摄像头起到了很大的作用，它负责捕捉人肢体的动作，然后由程序去识别、记忆、分析、处理这些动作。因此，从技术上来说，Kinect比Wii的体感高级很多。Kinect不只是一个摄像头，虽然它1 s可以捕捉30次，但这只是整个系统的一部分。除此之外，还有一个传感器负责探测力度和深度，四个麦克风负责采集声音。图2-15所示为Kinect体感外设图。

图2-15 Kinect体感外设图

9.动作捕捉设备

动作捕捉（Motion Capture，Mocap）技术涉及尺寸测量、物理空间中的物体定位及方位测定等可以由计算机直接处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Mocap系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。数据被计算机识别后，可以应用在动画制作、步态分析、生物力学和人机工程等领域。

运动捕捉设备一般由以下几个部分组成：

①传感器。所谓传感器，是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将向Mocap系统提供运动物体的运动位置信息，一般会根据捕捉的细致程度确定跟踪器的数目。

②信号捕捉设备。这种设备会因Mocap系统的类型不同而有所区别，它们负责位置信号的捕捉。对于机械系统来说，它是一块捕捉电信号的线路板；对于光学Mocap系统来说，它是高分辨率红外摄像机。

③数据传输设备。Mocap系统，特别是需要实时效果的Mocap系统，需要将大量的运动数据从信号捕捉设备快速准确地传输到计算机系统并进行处理，而数据传输设备就是用来完成此项工作的。

④数据处理设备。经过Mocap系统捕捉到的数据，在修正、处理后还要与三维模型结合才能完成相应的工作，这就需要应用数据处理软件或硬件来完成此项工作。

常见的动作捕捉设备有数据头盔、数据手套等。

数据头盔是虚拟现实应用中的3D图形显示与观察设备，可单独与主机相连，以接收来自主机的3D图形图像信号。其使用方式为头戴式，辅以三个自由度的空间跟踪定位器，可进行虚拟现实输出效果观察；同时，观察者可做空间上的自由移动，如自由行走、旋转等。动作捕捉设备的特点是用户沉浸感极强，在虚拟现实硬件观察设备中，头盔显示器的沉浸感优于显示器的虚拟现实观察效果，逊于虚拟三维投影显示和观察效果。在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器可作为系统功能和设备的一种补充和辅助。图2-16所示为头盔显示器5DT HMD的模型。

图2-16 5DT HMD的模型

数据手套是虚拟现实（VR）应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件，用于3DVR场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等操作。数据手套有有线和无线、左手和右手、5个传感器和14个传感器之分，可用于多种3DVR或视景仿真软件环境中。一般来讲，数据手套通常须同时与6自由度的位置跟踪设备结合使用，以识别三维空间的位移信息，达到真正的虚拟人手的动作和位置跟踪。图2-17所示为5DT公司Glove 16型14传感器数据手套。

图2-17 5DT公司Glove 16型14传感器数据手套